低速曲面射流气流特性研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 7 4 5.3MB 77 页 15积分

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摘要

置换通风和空调下送风具有节能和提高空气品质的优势，尤其在大空间建筑

中优势更为明显。圆柱形送风口多用于置换通风和下送风系统，国内对这种曲面

送风口研究较少，缺乏对风口有关气流特性的描述。对曲面风口送风特性，尤其

是沿程速度和温度变化规律的研究，对进一步指导置换通风和空调下送风气流组

织的设计具有重要的理论意义和现实意义。论文对半圆柱形送风口夏季送风气流

特性进行了理论建模和实验研究。

论文将低速曲面风口射流分为初始段和主体段，通过测定送风气流风速、温

度，分析低速曲面风口送风射流的初始段和主体段结构特性，如气流边界、初始

段长度、主体段气流高度，分析了不同风量、送风温差等因素对这些结构特性的

影响。实验结果表明，在实验条件下，初始段长度一般为 0.6m 到1m，主体段高

度一般在 0.18m-0.23m。论文同时分析得出了主体段低速曲面射流变化规律，包括

气流风速、温度垂直方向分布规律和沿气流运动方向变化规律。此外，还对两股

送风气流的叠加特性进行了实验研究。

针对单个风口低速曲面送风射流，建立了初始段运动模型、主体段温度模型，

修正了主体段速度分布模型。应用初始段运动模型得出了初始段长度，初始段末

端高度及气流平均风速计算式，初始段长度 a、气流初始段末端平均速度 ua理论

值和实验值标准偏差分别为 0.081m，0.041m/s；应用主体段温度模型，得出了分

层气流垂直方向上平均温度随射程的变化规律，利用此模型计算所得温度分布得

到了地板换热量计算式，用单个风口运行工况 CASE8、9、10 气流温度数据验证，

标准偏差分别为 1.08℃、0.684℃、0.314℃；利用实验结果对前人风速模型进行了

修正，使单位风量的最大风速计算偏差从 0.478m-2 降为 0.200m-2。利用初始段运动

模型和主体段温度模型对低速曲面风口进行了有关初始段结构参数、初始段和主

体段的温度、风速气流特性分析，得出不同参数如风量、风口高度、环境温度、

地板温度对气流特性影响。

本文通过理论建模和实验研究，得出了圆柱形风口低速曲面射流气流特性，

可以解决目前下送风和置换通风中有关低速曲面射流气流特性亟待解决的问题，

为置换通风及空调下送风气流组织设计提供一定的参考。

关键词：风口气流特性大空间建筑数学模型实验验证半圆柱状风

口分层气流叠加

ABSTACT

The displacement ventilation (DV) and down-side air supply system (DSAS) have

the advantage of high indoor air quality and the potential of energy saving, especially in

large space building the advantage is magnitude, this view was well accepted in HVAC

field. Semi-cylinder diffusers are widely used in DV and DSAS system, there less

researches on this topic about experiment and theory analyze about the low speed curve

face jet in China. The researches get involved in getting the characteristics of the curve

face jet especially aimed at the distribution of the temperature and velocity of stratified

flow is vital to guidance the air distribution design in theoretical and practical aspect.

The paper investigated the characteristics of the semi-cylindrical diffuser by modeling

and experimental studies in summer.

The paper divided the stratified flow from the diffuser which attached on the floor

into two stages: initial stage and main stage, by measuring air flow velocity and

temperature to analyze the structural characteristics of air flow in main stage and initial

stage, such as the height of boundary, the length of initial stage and the thickness of

flow in main stage, the influence of different parameters as the air volume and air

supply temperature difference to the structural characteristics were analyzed. The

experimental results show that under experimental conditions, the initial stage length is

generally between 0.6m and 1m, the height of the main stage flow is generally

0.18m-0.23m. Paper also obtains the velocity and temperature changing rules of the

main stage, including the velocity and temperature distribution of stratified flow along

the direction of air movement. Inaddtion, the paper also studies the flow collision of air

flow by experiment.

The mathematic model about the flow movement of initial stage and the heat

exchange model of main stage were established according the low speed curve jet from

a single diffuser, refined the velocity distribution model of maximum speed in vertical

direction. The initial stage length a, the average velocity of the end of initial stage ua

and the height of flow in end of the initial stage where get form the velocity model of

initial stage, the standard deviation of experimental value the model result is a= 0.081m,

ua=0.041m/s. The average temperature of the layer flow Trvariation along the air

movement was investigated by the heat exchange model, the expression of the heat

exchange by using the distribution of Trin main stage, the experiment results shows the

III

standard deviation between the experiment and theory value of CASE 8, 9 ,10 is 1.08℃,

0.684℃, 0.314℃. The previous model was modified by experimental data, reduce the

standard deviation between the experiment and theory of the maximum velocity in

vertical direction from 0.478m-2 to 0.2m-2. The paper analyze the characteristics of low

velocity flow form a curve diffuser’s face, such as temperature and velocity of initial

and main stage, the strctutural parameters on initial stage by using the results of initial

stage air movement model and heat exchange model of main stage.

The low velocity curve jet characteristics was investigated by established

mathematic model and experiment analysis, the result will be helpful to guide air flow

organization design, especially offer some theory fundament for large space building, it

will be also helpful to some theory problems emergence in DV and DSAS.

Key words: characteristics of diffuser, large space building,

mathematic model, experimental verification, semi-cylinder diffuser,

stratification air-flow collision.

摘要

ABSTACT

第一章绪论 .......................................................................................................... 1

§1.1 课题来源及意义 ...................................................................................... 1

§1.2 国内外研究现状 ...................................................................................... 3

§1.3 课题内容 .................................................................................................. 5

第二章低速曲面送风气流特性实验方案设计 .................................................. 6

§2.1 实验目的与基本思路 .............................................................................. 6

§2.2 实验基地及送风系统概述 ...................................................................... 6

§2.2.1 实验基地概况 ...................................................................................... 7

§2.2.2 曲面低速实验送风系统简介 .............................................................. 8

§2.3 实验内容及实验工况 .............................................................................. 9

§2.4 实验测试方法及测点布置 .................................................................... 10

§2.4.1 曲面风口送风温度场与速度场测定 ................................................ 10

§2.4.2 送回风参数测量 ................................................................................ 12

§2.4.3 室内送风垂直温度的测定 ................................................................ 12

§2.4.4 地板温度测定 .................................................................................... 13

§2.5 本章小结 ................................................................................................ 14

第三章送风气流速度温度特性实验分析 ........................................................ 15

§3.1 分层气流分段 ........................................................................................ 15

§3.2 气流分层现象 ........................................................................................ 16

§3.2.1 主体段冷气流分层 ............................................................................ 16

§3.2.2 分层气流边界高度分布 .................................................................... 18

§3.2.3 气流最大风速所在高度分布 ............................................................ 20

§3.3 初始段气流特性实验分析 .................................................................... 21

§3.3.1 初始段风速分布特性 ........................................................................ 21

§3.3.2 初始段特性参数 ................................................................................ 23

§3.3.3 初始段气流轨迹线 ............................................................................ 25

§3.3.4 初始段温度场分布特性 .................................................................... 26

§3.4 主体段气流特性实验分析 .................................................................... 28

§3.4.1 最大风速 um沿r变化 ....................................................................... 28

§3.4.2 气流主体段垂直方向上最低温度 .................................................... 30

§3.5 分层冷气流叠加 .................................................................................... 32

§3.5.1 相邻风口的冷气流叠加 .................................................................... 32

§3.5.2 风量对对称线叠加区的影响 .......................................................... 34

§3.5.3 中心线和对称线风速温度对比 ........................................................ 36

§3.5.4 中心线上叠加区特点 ........................................................................ 39

§3.6 小结 ........................................................................................................ 41

第四章低速曲面射流模型建立验证及特性分析 ............................................ 42

§4.1 曲面送风气流速度分布模型的建立 .................................................... 42

§4.1.1 曲面送风初始段气流运动模型 ........................................................ 42

§4.1.2 曲面送风主体段风速经验式 ............................................................ 46

§4.2 曲面送风气流温度分布模型的建立 .................................................... 48

§4.3 低速曲面数学模型实验验证 ................................................................ 49

§4.3.1 曲面送风初始段模型实验验证 ........................................................ 50

§4.3.2 曲面送风主体段温度模型实验验证 ................................................ 51

§4.4 曲面送风主体段风速、温度经验式 .................................................... 53

§4.4.1 垂直风速分布对比 ............................................................................ 53

§4.4.2 主体段最大风速分布经验式验证 .................................................... 54

§4.4.3 气流主体段垂直方向温度分布 ........................................................ 55

§4.5 分层气流与地板换热分析 .................................................................... 58

§4.6 低速曲面浮力射流特性分析 ................................................................ 61

§4.5.1 初始段长度特性计算及分析 ............................................................ 61

§4.5.2 初始段末端气流平均速度特性计算及分析 .................................... 63

§4.5.3 分层气流平均温度特性计算及分析 ................................................ 65

§4.7 本章小结 ................................................................................................ 68

第五章结论和展望 ............................................................................................ 69

§5.1. 结论 ........................................................................................................ 69

§5.1.1 建议 .....................................................................................................70

参考文献 ..............................................................................................................71

在读期间公开发表的论文和承担 ......................................................................73

科研项目及取得成果 ..........................................................................................73

致谢 ..................................................................................................................74

第一章绪论

§1.1 课题来源及意义

我国能源结构以煤炭为主，大量的能源消耗必然带来大量温室气体的排放。

我国人均 CO2排放量已达到世界平均水平，虽然仍低于发达国家的人均水平，但

已丧失人均 CO2排放水平低的优势。如果长期不减排，我国参与《联合国气候变

化框架公约》活动时遭受越来越大压力，若处置不当，将影响我国的国际形象和

地位。另外，由于我国 CO2排放总量较大，国家正承受国际上越来越大的减排压

力。我国“十二五”规划提出了单位国内生产总值能耗降低 17.3％，当前建筑能耗

约占我国社会总能耗的 28%。据建设部测算，2020 年—2030 年左右，我国建筑能

耗将占总能耗的 30%—40%，达到欧美目前的比例，超过工业，成为全社会第一能

耗大户。有研究者对不同上海市商用大楼的全年能耗进行调查与分析发现，在办

公楼中，空调能耗占总能耗的 35%，在商办楼中，空调总能耗占总能耗的 25%。

在建筑中推广节能技术可以节约能源，有利于提高能源利用率，起到节能减排的

作用。

大空间建筑一般指单体面积超过 2万m2并使用中央空调的公共建筑[1]，随着

中国社会经济的发展，越来越多的高大公共建筑服务于国人生活，2008 年北京奥

运会体育场馆的建设、2010 年上海世博会的展厅场馆的建设，都是国家在高大空

间建筑建设上的缩影。大空间建筑能耗是住宅建筑的 10～20 倍，为高密度能耗领

域[2]，随着越来越多的高大空间建筑拔地而起，其能源消耗量变得相当可观。

国家对建筑节能的重视要求节能的空调形式服务于社会，置换通风作为一种

新型通风方式，使人体活动区得到了较高的空气品质并达到了节能的效果[3]。1978

年，置换通风第一次应用在德国柏林的一个焊接车间，明显改善了车间内空气品

质，并且节约空调耗能量。置换通风与混合通风相比，具有较高的换气效率和通

风效率、工作区空气品质高、节能效果明显等优点，因此具有很大的发展空间和

广泛的应用范围[4]。

置换通风在空气品质上的优势是建立在其独特的空气流动基础之上的，置换

风口出流的冷气流以较低的速度（0.2m/s～0.5m/s）通过布置于墙边或者内嵌于墙

体的送风口送入室内，送风冷气流比周围空气稍重，在密度差产生重力作用下缓

缓下降，在地板上方形成一层薄薄的空气层向周围铺开。冷气流遇到热源，在热

源的驱动下，上升气流形成羽状流，同时污染物被带到较高的区域排出，人员活

低速曲面射流气流特性研究

动区获得了清洁空气而其上方为污浊空气的排污区[5]。

空调下送风是由房间下部直接向工作区送风的送风方式，包括工作区侧送风、

地板送风、末端装置（座椅送风）送风等，下送风系统在体育场馆或影剧院中有

着很好的应用。在体育馆、展厅这类高大空间建筑中，建筑在垂直方向上有着特

殊的温度分布形式，房间上部温度较高，温度垂直上下分层，上部为非空调区，

下部为空调区，为人员活动区，由空调控制温湿度参数[6]。空调下送风系统在夏季

直接将冷量送入人员活动区域，由于冷气流下沉特性，冷量积聚营造更低的温度

区域，节能优势明显，换气效率较高[7]。下送风系统正被世界各国广泛应用，特别

作为大空间一种低能耗、健康理想建筑的空调形式，在我国大力推广。

风口气流特性对房间一些设计参数有着重大影响，风量决定了房间换气次数，

风口布置方式决定了室内风速、温度均匀性及通风效果[8]。空调风口为整个空调系

统末端，风口直接将处理后的空气送入空调房间中，这一过程可认为是空气射入

静止空间的射流过程[9]。空调送风口布置形式和风口风速、温度特性对室内气流组

织影响较大，风口送风效果是空调系统实际运行中值得重视的问题，房间内气流

组织对于室内空气分布十分重要，合理气流组织不仅可以改善室内的工作环境和

提高人员工作效率，而且有利于建筑节能。

置换通风送风末端装置的结构形式及布置方式决定室内气流速度场及温度场

分布，并且影响着置换通风效果。置换通风一个特点是室内垂直方向上存在热力

分层，将室内分成上下两区,上区存在气流回返混合，温度与污染物浓度较高，下

区空气温度较低而清洁。无论工作区侧送风还是地板送风，当风速过大，进入工

作区的空气分布很不均匀时，都有可能将房间上部热的污染的空气卷吸到工作区，

以致破坏上下区的分界面,减弱送风在工作区的置换作用,甚至不成为置换通风[5]。

混合通风采用稀释原理，将新鲜空气与室内空气充分混合，使排风浓度与室

内浓度相同，置换通风不同于混合通风，采用空气品质好的空气置换室内空气的

一种单向类似于活塞的流动，由于是置换作用，回风往往是直接排出室内，其系

统送风形式通常从下部送入房间，由上部排风口排出。下送风是一种送风形式，

可以直接将处理过的空气送入置换通风多采用下送风形式，但非置换通风也可能

采用下送风形式送风，论文所讨论的下送风气流特性，不仅适应置换通风下送风，

也适应其他非置换通风的下送风。

置换通风送风末端常见有平板风口、圆柱形风口、半圆柱风口、1/4 圆柱风口

等，半圆柱形与平板风口相比具有风量大，送风方向均匀的优势，在置换通风或

空调下送风系统中应用广泛。柱状送风口送风面为典型的弧形曲面，由于其风口

面风速较小，出流气流温度低于环境温度，是一种低速曲面浮力射流。迄今为止，

第一章绪论

对于这种低速曲面浮力射流的研究甚少，从而为推广应用下送风系统带来了不便，

难以更好地从节能角度、改善环境角度合理、科学地应用。

国内学者对置换通风和下送风系统研究方向主要集中在系统应用及室内整体

风速、温度环境，如对不同型号送风口高度对房间气流影响的实验研究[11]，因此

对风口特性展开理论上研究是十分必要。在办公建筑以及高大空间场馆建筑中，

为了更好应用置换通风技术，需研究室内气流流场分布，获得风口气流流动发展

规律及房间气流速度场和温度场，推导气流速度、温度经验、半经验公式[12]。

本课题以半圆柱形风口为原型建立关于低速曲面浮力射流风速、温度数学模

型，通过求解模型，得出有关低速曲面风口气流特性风速、温度表达式，利用实

验结果对模型加以验证，同时通过实验分析，得出反映低速风口在实际使用中送

风口特性及影响因素。通过理论研究和实验分析获得曲面送风的应用相关成果，

为下送风和置换通风设计提供参考，完善我国置换通风及下送风空调设计研究。

对低速曲面气流特性的研究将对柱状和半圆柱状风口进一步了解，对置换通

风及空调下送风设计有一定的指导意义，特别是对大空间建筑气流组织提供一定

的科学理论基础和指导，可以解决目前下送风和置换通风急需解决的送风系统设

计一些问题。

§1.2 国内外研究现状

射流是指流体从各种形式的孔口或喷嘴射入同一种或另一种流体的流动，在

采暖通风空调工程中，射流的工质通常是空气。浮力射流是与周围流体存在密度

差引起垂直运动的射流形式。一种浮力射流浮力的产生一般来自两种原因，其一

是由于射流流体本身的密度与周围环境流体密度不同；其二是由于温差引起的浮

力。浮射流是兼受动量和浮力两种作用而运动的射流，实际上是一种初始密度不

同于周围环境流体密度的射流，其密度差有时为正有时为负，决定了浮射流的方

向。若射流密度比周围环境密度小，则浮力的方向竖直向上，叫做正浮力。正浮

力作用下的射流，叫做正浮力射流；若射流密度比周围环境温度大，浮力的方向

则向下叫做负浮力射流，或者叫重力流；若周围流体密度与射流密度相同，则称

之为等温射流，此时的射流不存在浮升力的作用，叫做纯射流[13]。

若环境流体空间是无限的，则其中的射流叫做自由射流；反之叫做受限射流，

其气流运动受到固定壁面或自由面的限制。根据射流流速方向分，可分为集中射

流和分散射流，集中射流的流速向量是平行的，分散射流的流速向量是分散的，

如圆形射流、矩形射流等都属于集中射流。扇形射流和完全圆锥形射流等属于分

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摘要：

I摘要置换通风和空调下送风具有节能和提高空气品质的优势，尤其在大空间建筑中优势更为明显。圆柱形送风口多用于置换通风和下送风系统，国内对这种曲面送风口研究较少，缺乏对风口有关气流特性的描述。对曲面风口送风特性，尤其是沿程速度和温度变化规律的研究，对进一步指导置换通风和空调下送风气流组织的设计具有重要的理论意义和现实意义。论文对半圆柱形送风口夏季送风气流特性进行了理论建模和实验研究。论文将低速曲面风口射流分为初始段和主体段，通过测定送风气流风速、温度，分析低速曲面风口送风射流的初始段和主体段结构特性，如气流边界、初始段长度、主体段气流高度，分析了不同风量、送风温差等因素对这些结构特性的影响。实验结...

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